CFD 设计利器：结构化和非结构化网格的组合使用

 

在 CFD 的发展历史中，结构化网格出现最早，至今仍在使用。结构化网格有几个主要优点，如精度高、生成速度快、单元分布均匀。有些工具擅长绘制这类网格，例如Cadence Fidelity Automesh（曾用名 Autogrid），非常适合带有几何形状叶片的涡轮机械应用。

 

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结构化or非结构化网格选择，两难境地？

 

随着几何形状的复杂性不断增加（现在通常有超过 10k 个曲面），对另一种网格的需求应运而生，也就是具有非结构化特性的网格。某些几何图形的问题在于它们在定义方面不够准确（即所谓的“不整洁”），而且它们不表现出任何可以应用标准结构化网格拓扑的特定趋势。CFD 用户必须花费大量时间来定义这些新的拓扑结构，还要在开始绘制网格之前“清理”几何体。换句话说，一旦几何体超出了结构化网格的经典应用范围，问题就来了：应当在什么时候坚持创建结构化网格，或是简单地切换到非结构化网格？

 

如果只考虑需要捕捉的物理现象和所需的精确水平，这个问题就很容易回答。然而，还有另外一个因素需要考虑：流动求解器必须能够读取使用的网格类型，而由于大多数流动求解器只接受结构化或非结构化网格的一种，这就会让人陷入两难的境地。

 

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解决方案：面对不同几何体，怎样自由切换？

 

正是在这种看似无解的情况下，Cadence 在 CFD 工具中提供了一种创新的解决方案。用户只需单击一下，就可以自由切换不同的网格划分方法，不仅可以在同一项目中，还可以在同一视图中查看几何体的所有部分，无论首选的是哪种网格划分技术。

 

对于叶片类几何体，用户可以选择结构化网格划分方法，而对于非旋转部件，如燃烧室、涡轮等，用户可以选择非结构化网格划分方法，这两种方法都可在 Automesh 中使用（非结构化模块以前被称为 Hexpress）。下面我们以一台完整的涡轮机械为例。每个部分都可以单独完成，网格生成本身也是并行完成的。这样一来，同时运行各个部分仅仅需要 19 分钟。

 

 

因此，越来越多的用户根据具体的几何组件来选择最佳方法。这方面的例子有很多，如叶轮及其涡壳、船舶及其螺旋桨等。

 

 

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在一个几何体的不同位置使用两种网格划分方法

 

让我们再进一步：既然 Cadence 在 Automesh 中提供了两种网格划分方法，那么在一个几何体的不同位置同时使用这两种方法会怎样？我们之前说过，叶片最好使用结构化网格模块创建（该模块还支持许多特殊配置，如冷却孔、非对称端壁、外壳处理等）。但对于结构化网格生成器来说，几何体的某些部分仍然很难处理。因此，有一种技术是从结构化网格中移除几个网格块（避开难以处理的部分），然后重新插入一个非结构化网格块，其中包括复杂的尖端几何形状（如下图所示）。也就是说，网格的大部分采用结构化网格，而最复杂的部分则采用非结构化网格。

 

 

但并非只有这一种办法。Cadence 还提出了使用初始结构化网格生成非结构化网格的想法。对于“体到面”的方法，非结构化网格通常是基于一个初始的直角坐标或圆柱形网格，然后进一步细化。而实际上，细化可以从任何类型的单元对齐开始：任何形状上的直线或曲线，并且支持不同的单元分布。

 

有些应用非常适合这种方法：水翼仿真就是一个很好的例子。该网格由船舶仿真背景域上的重叠网格组成。重叠网格遵循水翼的几何曲线，宽度以弦长为基础，长度以跨距为基础。仿真结果的表现如下：

 

全局网格质量极佳（因此网格生成速度更快）

粘性层高度符合理论预期

 对于求解器插值来说，overset 边界的单元质量达到最佳

 

 

这正是因为 Cadence Fidelity Flow 求解器的数据结构可以同时理解两种网格划分技术。其好处立竿见影：用户不再需要从结构化网格转换到非结构化网格，可以从网格直接切换到求解器，而且流动求解器可以使用结构化网格和非结构化网格的最佳组合。